CAST工藝設計原理及優化運行

鄒寶華 王宏斌

CAST工藝(循環式活性污泥法,Cyclic Activated Sludge Technology)是Goronszy教授在間歇式循環延時曝氣活性污泥法基礎上開發的一種新型污水處理技術,具有工藝流程簡單、投資及運行費用低、占地面積小、耐沖擊負荷和脫氮除磷能力強等特征[1]。目前,CAST工藝已廣泛用于生活污水脫氮除磷及啤酒、屠宰、制藥、印染和化工等行業的廢水處理。

1工作原理

CAST的核心是間歇式反應器,分為生物選擇區A、兼氧區B、主反應區C,在反應器內曝氣與非曝氣過程交替運行,將生物反應過程與泥水分離過程集中在一個池子中完成,一個完整的周期包括進水、曝氣、沉淀、潷水閑置五個工序。在運行過程中,A、B兩區通過吸附作用去除部分污染物,使C區進水相對穩定,C區的活性污泥回流至A區進行生物選擇。在工程應用中,至少應設兩座CAST池,以便系統能夠連續進水[2]。

2工藝特征

2.1 設置生物選擇區防止污泥膨脹

污泥膨脹的直接原因是絲狀菌過量繁殖。根據J.Chudoba的動力學選擇理論,高濃度條件下絮狀菌對有機物的利用速率要高于絲狀菌,在生物選擇區,活性污泥內回流使該區基質濃度很高,有利于絮狀菌快速繁殖成為優勢菌種,同時抑制絲狀菌生長,從而有效克服污泥膨脹[3]。此外,生物選擇區內活性污泥的吸附作用可提高系統有機物去除率和氧利用率,進而加速反應進程。

2.2 同步硝化反硝化

CAST工藝不設缺氧反應區,利用氧傳遞過程中形成的DO濃度梯度實現高效的同步硝化反硝化。在活性污泥絮體外表面,DO值較高,好氧菌和硝化菌占優勢;由于氧傳遞阻力和外層細菌對氧的消耗,絮體內部為缺氧環境,反硝化菌占優勢,而具有較高濃度梯度的硝酸鹽能夠較好地滲透到絮體內部進行反硝化反應,實現生物脫氮。在水溫較低時,為保證脫氮效果,需確保曝氣過程中混合液DO值達到2mg/L以上,以彌補低溫對微生物活性的不利影響[4]。

2.3 良好的生物除磷功能

CAST反應池以曝氣-非曝氣方式交替運行,使活性污泥處于好氧-缺氧-厭氧的周期性變化之中,有利于聚磷菌生長繁殖。生物選擇區的厭氧環境可促進磷的釋放,且聚磷菌在此過程中吸附和吸收大量易降解有機物質,為后續的好氧吸磷提供充足的養分。因此,在曝氣階段控制DO為2～3 mg/L,同時控制ORP在-150mV和+100mV之間,即可獲得良好生物除磷效果。據報道,間歇進水方式較連續進水方式提供的厭氧停留時間更長,厭氧釋磷更徹底,總磷去除率越高[5]。

2.4 抗沖擊負荷能力強

CAST工藝可根據進水水量及水質調整工藝參數,提高系統抗沖擊能力。如進水COD和氨氮較高,應延長曝氣時間,實現達標排放和經濟運行。對于城市污水,當進水COD為400mg/L、氨氮為60mg/L時,CAST運行周期各工序可設定為進水1.5h、曝氣3h、沉淀1h、潷水0.5h,使出水COD≤50mg/L、氨氮≤10mg/L[6]。此外,生物選擇區對污染物的生物吸附作用在很大程度上降低了進水水質波動對主反應區的影響。

2.5 工藝運行控制

CAST運行過程的控制一般通過可編程序控制器(PLC)實現,如設置集散式控制系統[7],主要根據進水量、DO、進水水質(COD、TN、TP等)、出水水質等的變化規律自動調整各部件的運行狀況以達到最佳處理效果及高效運行的目標。

2.6 投資省

CAST工藝不設初沉池和二沉池,工藝流程簡潔、設備種類和數量較少,管理簡單,CAST池內主要設備為污泥內回流泵,其工程建設費用較傳統活性污泥法節省20%～30%[8]。由于采用間歇曝氣方式,混合液中氧利用率高,可降低污水處理成本。

3CAST工藝優化運行

工程實踐證明:CAST工藝對有機物含量高、可生化性好的污水處理效果好,但處理我國南方城市典型的低碳高氮污水時,出水TN偏高[9]。通常采用人工外加碳源的方式提高污水碳氮比,以改善出水水質。在傳統的4h周期運行模式下,TN去除率并不因原水碳氮比的增大而顯著提高;而降低CAST池充水比可降低系統氮負荷,有利于提高對低碳氮比污水的總氮去除率[10]。但在實際應用中,充水比不宜過低,否則處理水量太少,反而會增加整個污水處理廠運行成本;同時,CAST池可能會因為長期低負荷運行發生污泥膨脹。綜合考慮,CAST池充水比宜控制在16%～30%[11]。

另一方面,采用分段進水的交替運行模式也可大幅改善CAST處理低C/N污水的脫氮性能,即保持進水量不變,等量分段進水,且隨著進水次數增加,TN去除率逐步提高。在此運行模式下,當進水COD為155～440mg/L、氨氮為57.98～82.40mg/L時,CAST出水COD≤40mg/L、氨氮≤0.5mg/L、TN≤2.0mg/L[12]。

總的來說,當水溫較低時,提高混合液DO值和延長曝氣時間可降低CAST出水TN濃度;當水溫較高時,應根據進水水量及水質狀況調整運行周期、曝氣時間、充水比等參數,避免在保證出水達標排放的情況下浪費能源。同時,提高進水C/N和延長水力停留時間可改善CAST系統除磷效果,且TP去除率隨進水C/N比的升高而升高,由此可見,進水碳源是影響CAST除磷性能的主要因素之一[13]。

4結語

CAST工藝是以生物反應動力學原理及合理的水力條件為基礎而開發的一種流程簡單污水處理工藝,隨著計算機自控技術、生物技術和材料等科學的發展,CAST工藝由于其良好的碳氧化能力和脫氮除磷效率將在污水處理領域得到更廣泛的應用。

參考文獻

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[13] 王麗,彭永臻,馬娟,等.碳氮比及HRT_S對交替缺氧/好氧CAST去除營養物的影響[J].環境科學,2010,31(10): 2370～2375.